为什么说丰富多彩的宇宙归功于“不对称”

“对称”在我们的生活中处处可见，比如你的双手就是左右对称的，在照镜子时，你是前后对称的，而陀螺则绕着它的转轴旋转对称。古希腊人认为“对称就是美”，因为对称显示了一种不变性。他们觉得最对称的就是圆。圆不论怎么旋转、翻转，样子都不改变，因此圆是最美的，天上的行星运动的轨道也应该是优美的圆形。不过，今天我们已经知道，天体运动的轨道并不是圆而是椭圆。科学家还告诉我们，对称性并不总是最美的，恰恰是对称性的破坏（称为“对称性破缺”）带给我们一个丰富多彩的宇宙。

对称性破缺的一个例子就是相变。相变大家都很熟悉，水从一种状态（比如液态）变成另一种状态（比如固态冰）的过程就是一种相变。液体状态的水是各向同性的。在水中，无论哪一个方向的性质都一样。而水结冰以后就变成了晶体，有了方向性，不再处处一样，对称性也就被破坏了。在宇宙早期历史中，发生过多次类似水结冰这样的相变过程。比如宇宙暴胀时期就经历了真空的相变。暴胀之前，宇宙处于高温的真空态，暴胀之后，宇宙相变到了一个低温的真空态。这个过程就像水结冰一样，放出了大量的能量。这些能量从一些空无一物的场（比如电子场）中激发出大量的场粒子（比如电子），并把它们加热，煮成一锅极高温的“粒子汤”。今天宇宙中的物质，就来源于这锅被真空的相变“无中生有”地激发出的粒子汤。

水结冰的相变过程破坏了对称性

对称性破缺的另一个例子，是正反物质的不对称。今天宇宙中的绝大部分物质都是质子、中子、电子等正物质，而几乎找不到反质子、反中子、正电子等反物质。因为反物质一旦出现，就会和正物质湮灭而变成光子。但在宇宙极早期的高温粒子汤中，反物质却是大量存在的。它们和正物质、光子一起处于热平衡状态。正反物质不断湮灭变成高能光子，高能光子又不断变成正反物质。如果宇宙是完美对称的，那么正反物质的数量应该完全一样，正物质和反物质会在宇宙膨胀过程中完全湮灭成光子，今天我们的宇宙就会只有光，而没有恒星和星系，也不会有人类了。正是由于对称性破缺，使得正物质和反物质的数量不完全相同，才有了今天丰富多彩的宇宙。这种不对称性是非常低的，正物质只比反物质多出大约亿分之三，即大约每一亿个反物质粒子，对应一亿零三个正物质粒子。不要小看这微小的不对称性，在宇宙膨胀中，那一亿对正反物质粒子都湮灭了，就是那剩下的亿分之三的正物质粒子，演变成了我们今天的宇宙。（柴一晟）

【微博士】暴胀与过冷态

暴胀之前，真空的温度已经低于相变温度，但还没有发生相变，这种状态叫过冷态。冬天南方地区的冻雨就是过冷态。冻雨的温度已经低于0℃了，但还是以液态的形式存在。这样的液滴只要有一点扰动，马上就会发生相变。所以冻雨落到地上立刻会从液态变成固态的冰。过冷态的真空也是如此，一遇到扰动就会在很短时间内完成相变。